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「フォース」を感知するタンパク質を求めて

細胞が接触や圧力を感知する仕組みは数十年にわたって謎に包まれていたが、近年になって、そこに関与するタンパク質の解明が大きく進んだ。

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DAVID S. GOODSELL/RCSB PDB

Nature ダイジェスト Vol. 17 No. 4 | doi : 10.1038/ndigest.2020.200418

原文:Nature (2020-01-09) | doi: 10.1038/d41586-019-03955-w | The quest to decipher how the body’s cells sense touch

Amber Dance

その少女は懸命に、自分の腕や手を動かさずにいようとしたが、指はねじれるような動きをした。彼女が目を閉じると、状態はもっとひどくなった。彼女は、手足をじっと動かさずに保つ力がないのではなく、手足をコントロールできないだけのように見えた。

Carsten Bönnemannは、2013年にこの10代の少女を、カナダのカルガリーにある病院で調べたことを覚えている。彼は、国立神経疾患・脳卒中研究所(米国メリーランド州ベセスダ)の小児神経科医として、不可解な症例を検討・考察するために各地にたびたび出かけていたが、この少女のような症例は一度も見たことがなかった。少女は、自分の足を見ていなければ、足の在りかを知る手掛かりが得られないようだった。彼女には、「自己受容感覚(proprioception)」という、空間内での自分の姿勢を感じ取るための重要な感覚が欠けていたのである。「こんなことは、まず起こらないのですが」とBönnemannは話す。

彼のチームは、その少女と、同じような症状の別の少女の遺伝子塩基配列を解析し、PIEZO2という遺伝子に変異があることを見つけた1。この発見は時期的に幸運だった。その数年前に、細胞が接触の感知(触刺激受容)に使う機構を探していた研究者らが、PIEZO2が圧力を感知するタンパク質をコードしていることを見つけていたのだ2

Piezo2とその類縁タンパク質Piezo1の発見は、触刺激受容の制御機構を探る数十年の研究の中で最も盛り上がった出来事の1つとなった。このPiezo類タンパク質は、張力を感知するイオンチャネルである(イオンチャネルは、細胞膜にあってイオンを能動的に通過させるゲートである)。「我々は細胞同士のコミュニケーションの取り方について多くのことを学んできましたが、そのほとんどが化学的なシグナル伝達に関するものでした」と、スクリプス研究所(米国カリフォルニア州ラホヤ)の分子神経生物学者で、Piezo類を見つけた研究チームの一員でもあるArdem Patapoutianは話す。「我々が今実感しているのは、この物理的な力を感知する機械刺激受容もシグナル伝達機構の1つであり、これについてはほとんど分かっていないということです」。

触刺激の感知は、ほぼ全ての種類の組織や細胞が機能するための基盤になっているとPatapoutianは話す。生物は物理的な力を読み取ることで、周りの世界を把握したり、撫でられるのを喜んだり、痛みのある刺激を避けたりしている。体内では細胞が、血液の流れ具合や空気を吸った肺の膨らみ、胃や膀胱の膨満を感じ取っている。聴覚の基盤は、内耳にある細胞が音波の物理的な力を感じ取ることにある。

この10年で、Piezo類タンパク質や他の機械刺激受容イオンチャネルの研究は大きく進んだ。過去3年の間に、Piezo類に関するだけでも300本以上の論文が発表されている。現在最も重大な疑問の1つは、細胞膜にあるこうしたタンパク質がどのようにして物理的な力を感じ取り、応答しているかだ。クライオ(極低温)電子顕微鏡を使った研究で、Piezoチャネルの奇妙な3枚羽根構造の解明が進んだが、その働き方はまだ完全に捉え切れていない。また、Piezo類には触刺激受容や自己受容感覚とは異なる役割も見つかりつつある。例えばPiezo類は、特定の人々がマラリアに耐性がある理由の説明や、おそらくさらには、宇宙飛行士が地球周回軌道上に滞在中に骨密度が下がる理由の説明にも役立つ可能性がある。すでに、慢性疼痛などの治療のために、物理的な力を感知するタンパク質を医薬の標的にすることが検討され始めている。

「細胞が物理的な力を感じ取っていることは以前から知られていましたが、その仕組みは全く分かっていませんでした」と、スタンフォード大学(米国カリフォルニア州)の感覚生理学者Miriam Goodmanは言う。「Piezoは確実にそうした状況を変えました」。

一触即発

触覚は長年、捉えどころのない感覚だった。視覚や味覚など他の感覚はそれより解明されているとPatapoutianは話す。眼に入る光子や鼻・舌に入り込む化学物質は全て、同じファミリーの受容体を活性化する。これらの受容体がイオンチャネルを刺激して開き、陽イオンが流入できるようになる。こうして細胞が脱分極することで、刺激は電気シグナルに変換され、脳が解読できる形になる。

研究者らは、触覚や自己受容感覚、聴覚においては、1つのタンパク質が物理的な力のセンサーとイオンチャネルの両方の機能を果たしているのではないかと考えた。聴覚ではシグナル伝達が数マイクロ秒という速さで起こるからだ。だが、こうしたセンサーとチャネルが一体となったタンパク質の正体は、少なくとも哺乳類ではほとんど分からぬままであり、細菌やショウジョウバエ、線虫でいくつかの機械刺激受容チャネルが見つかっていた程度だった。

そこでPatapoutianと同僚のBertrand Costeは、ある計画を立てた。まず、ピペットの微小なつつきを測定可能な電流へと変換できることが分かっている、ある型のマウス細胞を使って始めることにした。次にCosteは、複数のイオンチャネル候補遺伝子を、細胞集団ごとに1種類ずつノックアウトし、触刺激への応答が突然失われた細胞集団を探した。Costeは確信を持って探索を開始し、2〜3カ月か、うまくいけば数週間で見つかるだろうと思っていた。

ところが実際には半年以上もかかった。2009年の年末が迫る頃、Costeはあることを観察した。いや、むしろ何も観察しなかったというべきだろう。彼がピペットでつついた細胞が反応しなかったのだ。これにより、物理的な力を感じ取るチャネルが除去できたに違いなかった。

「その日は素晴らしい1日になりました」と、現在はフランス国立科学研究センター(CNRS;マルセイユ)にいるCosteは当時を思い起こす。彼とPatapoutianは、このマウス遺伝子を、「圧力」を意味するギリシャ語にちなんでPiezo1と名付け、間もなくPiezo2も見つけた。彼らはその後、Piezo2が、マウスの感覚ニューロンや皮膚細胞の触刺激受容と直接関連することを示した3

秘密の3枚羽根

このCosteらの研究結果を受けて当時の研究界が騒然となったことを、Goodmanはよく覚えている。そうなった理由は、特にPiezo類が非常に大型で複雑なタンパク質だからだ。Piezo1は2500個以上のアミノ酸からなり、質量が300キロダルトンもあって、細胞膜を38回も貫通するという、とんでもない構造をしている(ちなみに、哺乳類のタンパク質を構成するアミノ酸の数は通常、500個前後である)。

残念なことに、その巨大なサイズが、Piezoに関する重要な疑問の解明を阻んだ。研究者らは、「これらのチャネルは物理的な力をどうやって感じ取るのか」、そして「どういう仕組みで開閉するのか」を明らかにしたいと考えていた。この種の疑問を解くには、タンパク質の構造が大いに役立つと、ロックフェラー大学(米国ニューヨーク)の生物物理学者Roderick MacKinnonは言う。「構造が分からないと疑問は解けないのです」。

しかし、X線結晶構造解析や核磁気共鳴分光法といった構造解析技術では、大型で複雑なタンパク質を扱うのが大変なのだと、清華大学(中国・北京)の神経科学者で、Patapoutianの研究室でかつて博士研究員だったBailong Xiao(肖百龍)は話す。

Xiaoが2013年に自分の研究室を立ち上げた時、幸いなことに、構造を高分解能で捉えるための別の選択肢としてクライオ電顕が使えるようになっていた。彼のチームはこの技術を使って、2015年にPiezo1の構造を初めて報告した4。それ以降、XiaoやMacKinnon、Patapoutianのそれぞれのチームから高分解能の構造報告がいくつか続いた。2019年9月にはXiaoがさらに、Piezo2の画像を報告した。Piezo2はサイズも形もPiezo1に似ている。Xiaoが捉えたPiezo2の画像は、3枚羽根の各先端がこれまでで最も鮮明だった5。3枚の羽根は動くため、撮像が難しいのである。

このPiezo2の画像は衝撃的だった。3個のPiezoタンパク質が集まって三量体となり、それが細胞膜にまたがるように入り込んでいる(「圧力センサー」参照)。中心部の透過孔から、3本の腕がらせん状にプロペラの羽根のように出ている。それらの羽根は湾曲していて端が外向きに反っているため、細胞表面に深いくぼみを作っている。

圧力センサー
細胞は、物理的な力を感知するのを助ける特殊なタンパク質を持っている。Piezo 類タンパク質は、哺乳類でその種のタンパ ク質として特徴の解明がかなり進んだもので、細胞にイオンを運び込んだり外に運び出したりするチャネルを形成している。研 究者らは、この種のチャネルが開口する仕組みを解明しようとしている。

左:閉口状態の拡大図
閉じたチャネルの画像から、チャネルが3個のPiezo タンパク質で作られていて、1個が1本の羽根とビームを担い、それらが中心部の透過孔の周囲を取り巻いていることが明らかになっている。このチャネルがあるところの膜はすぼんで、くぼみができる。
右:開口のきっかけ
開いたPiezoチャネルの画像はないが、チャネルが開く仕組みに関する説はいくつかある。カーブした羽根が平たくなると透過孔がパッと開くか、もしくは、物理的な力が羽根を動かし、何らかの仕組みでビームに働き掛けてチャネルが開くと考えられている。 | 拡大する

PatapoutianとXiaoは、物理的な力が細胞膜にかかると、これらの羽根が、チャネルの内側にある梁のような「ビーム」タンパク質を動かし、それらが何らかの仕組みで透過孔を引き開けるのだと考えている。しかしMacKinnonによれば、Piezo類の羽根が細胞膜をすぼめるという特殊な構造になっていることから、Xiaoらとは異なる機構が考えられるという。押されたり引っ張られたりして膜の張力が増せば、湾曲していたチャネルが平らになって透過孔が開くのではないかというのだ。

これらの仮説はまだ検証不可能である。なぜなら、今のところPiezoタンパク質を単離した状態、つまり細胞膜から分離したタンパク質を閉じた立体構造で調べることしかできないからだ。膜内に存在するPiezoの姿を開口状態で捉えれば、機序の秘密を解明する手掛かりが得られるはずだ。「我々は、自然環境にあるPiezoを見たいのです」とPatapoutianは言う。

現在、いくつかの研究室が開口状態のPiezoの画像を得ようとしている。Patapoutianのチームは、Piezo1を活性化する化合物「Yoda1」を使っている。この名は、映画『スター・ウォーズ』でフォースを操る緑色の小柄なジェダイ・マスター「ヨーダ」にちなんで付けられた。Patapoutianは、Yoda1の存在下でPiezo1が開くのを画像で捉えたいと考えている。彼はまた、Piezoタンパク質をナノディスクと呼ばれる人工膜に差し込む方法にも関心を持っている。開口状態の立体構造を安定化するのに、人工膜が役立つかもしれないからだ。一方でXiaoは、クライオ電子線トモグラフィーを使って研究中である。この技術はさまざまな傾斜角で試料を撮像するもので、天然や人工の膜内にあるPiezoの構造を明らかにするのに役立つと考えられる。

痛いところを突く

構造研究が進むのと並行して、Piezoタンパク質が体内で多様な役目を果たしていることも分かってきた。

2014年、国立補完統合衛生センター(米国メリーランド州ベセスダ)に入ったばかりだった神経科学者Alex Cheslerは、Costeの発見に触発されて、触刺激受容におけるPiezo2の役割を調べるためにPiezo2欠損マウスを作ろうとしていた。彼はある日、同じ建物内で研究していたBönnemannから電子メールを受け取った。自己受容感覚がない2人の少女に関するメールだった。

Cheslerは、階段を上ってBönnemannの部屋に直行し、息を切らしながらまずこう言った。「あなたは自分が持っている情報がどんなものか見当がついていないでしょう」。Cheslerは、Piezo2を欠損するマウスに、何を感じるか、または感じないかを直接聞くことはできなかったが、相手がヒトであれば聞くことができる。

彼とBönnemannは、少女2人にベセスダに来てもらい、病態をさらに詳しく調べた。どちらの少女も、視覚を頼りに真っすぐ歩いたり目標物に触れたりすることができ、障害を驚くほどうまく補完できていたが、目隠しをすると2人ともそれらの動作を普通にこなせなくなった。同様に、2人とも音を聞くことができるので、皮膚に当てた音叉が振動していることに気付けたが、雑音除去機能付きのヘッドフォンを装着すると振動に全く気付かなくなった1

Patapoutianは、マウスでそれと同じ現象を見つけた。筋肉や腱に分布する神経にPiezo2がないと、マウスは自己受容感覚がなくなり、動作がぎこちなくなった6。彼のチームは、疼痛を感じるニューロンにあるPiezo2がアロディニア(異痛症)に関係していることも見つけた。アロディニアは、優しく撫でただけでも針で刺されたような痛みを感じてしまう感覚異常である。神経障害性疼痛の患者の中には、こうした痛覚異常がずっと続く人もいる。

マウスでは通常、唐辛子の辛味成分であるカプサイシンを注入した場合や、神経損傷の後にアロディニアが見られるが、Piezo2遺伝子が欠損していると、この症状は現れない7。CheslerとBönnemannは、PIEZO2に変異のある人々で痛覚に同様の変化があることを報告した8

「慢性疼痛にはそうした消耗性の作用があります」と話すのは、博士研究員時代にPatapoutianと共にアロディニア研究の1つに携わったSwetha Murthyだ。「Piezo2は、こうした神経障害の薬剤標的として注目を集める可能性があります」。PatapoutianもCheslerも、疼痛部位でPiezo2の活性を阻害し、しかもPiezo2が全身で果たす他の役割を邪魔することのない化合物を探しているところだ。「Piezoチャネルに関係する創薬には大きな可能性が潜んでいます」とXiao。

触刺激を感知する必要があるのはニューロンだけではない。ほぼ全ての細胞がこれと同じ種類の力を受ける。例えば、赤血球は変形して毛細血管を通り抜けていく。Piezo1を過剰に活性化させる変異があると、血球がしぼんでしまい、脱水型遺伝性有口赤血球という希少疾患の患者に見られるような貧血を起こす場合がある。

そうした、しぼんだ血球を見て、Patapoutianは鎌状赤血球症を連想した。鎌状赤血球症の原因遺伝子の変異は、マラリア耐性をもたらすため、アフリカ系の多くの人々に根強く存在しており、PIEZO1の変異もそれと同じなのではないかとPatapoutianは考えた。

もしそうなら、アフリカ系の人々にはそうした変異が比較的高率で存在しているはずだ。データベース検索から、Patapoutianの考えが正しいことが明らかになった。実際、ある特定のPIEZO1変異が、データベース内のアフリカ系の人々のうち3分の1で見られたのである9。別の研究チームも、このPIEZO1変異を持つ人が重症マラリアに耐性があることを報告した10

Xiaoのチームの研究によると、Piezo1は骨の形成や維持にも関与している。彼のチームが、マウスの骨芽細胞(造骨細胞)でPiezo1をノックアウトしたところ、それらのマウスが成長すると正常マウスよりも小柄で痩せていた。体重を支える長い骨は対照マウスのものよりも軽く、細くて弱かった。

さらに、体の一部を空中に吊り上げられて育った(そのため全体重を支える必要がない)野生型マウスは、Piezo1の発現量と骨量が低かった11。これは、骨粗しょう症患者や寝たきりの人、国際宇宙ステーションに滞在する宇宙飛行士で見られる現象によく似ているとXiaoは話す。

機械刺激で活性化されるタンパク質は、骨にかかる体重負荷を感知するのを助けるが、重力がないとその機能は低下する。宇宙滞在中、飛行士は負荷をかけたトレーニングを行うことで、骨や筋肉を維持する。 | 拡大する

JSC/NASA

圧点

「Piezo類の発見は全ての生物医学領域にとって非常に大きな前進でした」と、ニューサウスウェールズ大学(オーストラリア・シドニー)の生物学者Kate Pooleは話し、ただし「この物語がPiezo類だけにとどまらないことも明らかです」と続けた。

聴覚に関心を持つ研究者らは、40年にわたって聴覚に関与するチャネルを探し求めてきた。「これまでに得られていた手掛かりには誤ったものが多数ありました。我々は今、聴覚に関する確かな手掛かりを1つ得たと考えています」と、ボストン小児病院(米国マサチューセッツ州)の神経科学者Jeffrey Holtは話す。

その重要なチャネルタンパク質はTMC1と呼ばれる。HoltがTMC1のアミノ酸を変えたところ、内耳細胞が機械的シグナルを電気的シグナルに変換する能力が変化した12。また別のチームは、精製したTMC1で、人工膜の小胞に機械刺激を受容するイオンチャネルを作り出せることを報告した13。ただし、TMC1の構造はまだ謎に包まれている。このタンパク質は、良好なクライオ電顕像を得るのに十分な量を精製するのが難しいのだ。

一方でPatapoutianのチームは、全く新しいチャネル・ファミリーを探求中である。彼は2018年に、Murthyやスクリプス研究所の構造生物学者Andrew Wardと共に、機械刺激で活性化されるものとして、これまでで最大規模だと彼らが考えるチャネル群を報告した。彼らは、植物の浸透圧感知に関与するタンパク質ファミリー(OSCAタンパク質)のことを知り、このファミリーはもっと広く物理的な力を感じ取っているのではないかと考えた。そこでMurthyがヒトの腎細胞で細胞膜を引き伸ばすと、実際にOSCAがそれに応答した14

彼らは、OSCAタンパク質が哺乳類の別のタンパク質ファミリー「TMEM63タンパク質」に近縁だとする複数の既報も知っていた。そこでMurthyが実験したところ、マウスやヒト、さらにはショウジョウバエ由来のTMEM63チャネルも引き伸ばしに応答した。従って、OSCAとTMEM63タンパク質は、多くの生物に共通の大規模な「物理的な力を感知するセンサー・ファミリー」を作り上げていることになる。

これまでに見つかったチャネルでは細胞の機械刺激受容の全例を説明することはできないと、現在はオレゴン健康科学大学(米国ポートランド)で生物物理学および神経科学を研究するMurthyは話す。機械刺激のセンサーは他にもいろいろあるに違いない。

また、それらのセンサーはおそらく、現在分かっているものより多くの役目を持っているだろうとPatapoutianは言う。「現在はまだ、機械刺激センサーの世界の表面をこすった段階にすぎないのです」。

(翻訳:船田晶子)

Amber Danceは、米国カリフォルニア州ロサンゼルス在住のフリーランスライター。

参考文献

  1. Chesler, A. T. et al. N. Engl. J. Med. 375, 1355–1364 (2016).
  2. Coste, B. et al. Science 330, 55–60 (2010).
  3. Ranade, S. S. et al. Nature 516, 121–125 (2014).
  4. Ge, J. et al. Nature 527, 64–69 (2015).
  5. Wang, L. et al. Nature 573, 225–229 (2019).
  6. Woo, S. H. et al. Nature Neurosci. 18, 1756–1762 (2015).
  7. Murthy, S. E. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9897 (2018).
  8. Szczot, M. et al. Sci. Transl. Med. 10, eaat9892 (2018).
  9. Ma, S. et al. Cell 173, 443–455 (2018).
  10. Nguetse, C. N. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/691253 (2019).
  11. Sun, W. et al. eLife 8, e47454 (2019).
  12. Pan, B. et al. Neuron 99, 736–753 (2018).
  13. Jia, Y. et al. Neuron https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.017 (2019).
  14. Murthy, S. E. et al. eLife 7, e41844 (2018).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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